CN113534346B - 一种光纤模场适配器组件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于全光纤技术领域，具体为一种光纤模场适配器组件及其制备方法。本发明光纤模场适配器组件包括：一种具有第一模场直径的实芯单模光纤，一种具有第二模场直径的空芯反谐振光纤，所述实芯单模光纤一端未处理，另一端具有锥形过渡的反向拉锥结构，并在端面镀有耐高温抗反膜，其具有比所述实芯单模光纤未处理端更大的包层直径和模场直径，可以与所述空芯光纤达到包层匹配和模场匹配耦合，之后将所述反向拉锥结构一端与空芯光纤进行熔接。本发明可以简单高效地实现实芯单模光纤与空芯反谐振光纤的模场匹配，解决空芯光纤在光纤通信系统中与实芯光纤耦合不兼容的问题。

Description

一种光纤模场适配器组件及其制备方法

技术领域

本发明属于全光纤技术领域，具体涉及一种光纤模场适配器组件及其制备方法。

背景技术

空芯反谐振光纤是一种新型空芯光纤，除了具有低非线性、低损耗传输的优点，还具有简单的光纤几何结构、更宽的传输窗口、有效的单模传输等优势，因此这类光纤近几年备受关注。空芯反谐振光纤具有很高的纤芯能量占比，提供了一个理想的光与物质相互作用的平台，空芯反谐振光纤在光纤传感、光纤通信、非线性光学以及高能激光传输领域都具有非常大的应用前景，然而实际应用中，其需要接入单模光纤系统，因此发展一种空芯光纤模场适配器组件是非常必要的。

为了降低传输损耗，空芯反谐振光纤纤芯直径都较大，相比普通单模光纤的纤芯大了几倍，因此空芯反谐振光纤的模场与单模光纤模场严重不匹配，导致了很大的耦合损耗。另外，空芯反谐振光纤具有的包层结构在熔接时容易受热塌陷，同样会导致较大的熔接损耗。

针对空芯反谐振光纤与单模光纤的熔接，国内外学者已提出了多种方法，如使用过渡大模场光纤、使用渐变折射率光纤、拉锥大模场光纤、对空芯光纤进行拉锥、对单模光纤进行热致扩芯等。这些方法都存在一定缺陷，例如对于加入大模场光纤作为过渡光纤，将引入两次以上的熔接，导致总熔接损耗较高；对使用渐变折射率光纤，其需要非常精确的光纤切割长度，长度的轻微偏差将导致损耗快速增大；对大模场过渡光纤进行拉锥将激发高阶模式，增大熔接损耗，而且引入多次熔接步骤，不利于制备和低损耗耦合；对空芯光纤进行拉锥，对容易破坏空芯光纤的特殊包层结构；只使用热致扩芯增大单模光纤模场效果有限，同样难以实现与空芯光纤的模场匹配，造成较高熔接损耗。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种低成本、高效的光纤模场适配器组件及其制备方法。

本发明提出的光纤模场适配器组件，包括：

一种具有第一模场直径的实芯单模光纤；

一种具有第二模场直径的空芯反谐振光纤；

所述实芯单模光纤的一端未处理；另一端具有锥形过渡的反向拉锥结构，该反向拉锥结构为所述实芯单模光纤的一部分，没有使用任何过渡光纤；在该反向拉锥结构端面镀有耐高温抗反膜，并且，具有比所述实芯单模光纤未处理端更大的包层直径和模场直径，可以与所述空芯光纤达到包层匹配和模场匹配耦合。

其中，所述第一模场直径小于所述第二模场直径。

其中，所述反向拉锥结构端，为使用光纤拉锥机对所述实芯单模光纤进行反向拉锥处理而形成的具有相比未处理端更大包层直径和模场直径的锥形过渡的反向拉锥结构，并对所述反向拉锥结构进行热致扩芯优化模场分布，从反向拉锥腰区居中切割后得到。

其中，所述实芯单模光纤的反向拉锥结构一端可实现相比未处理实芯单模光纤一端包层直径和模场直径的绝热增大。

其中，镀有耐高温抗反膜的反向拉锥结构一端与所述空芯光纤之间通过熔接进行连接。

其中，所述空芯光纤为空芯反谐振光纤，纤芯为空气介质，纤芯具有负曲率轮廓。

本发明还提供上述光纤模场适配器组件的制备方法，具体步骤为：

（1）获取两种待熔接光纤，包括具有第一模场直径的实芯单模光纤和具有第二模场直径的空芯光纤；

（2）对所述实芯单模光纤进行反向拉锥处理和热致扩芯处理，使得所述实芯单模光纤的包层直径等于或大于所述空芯光纤，所述处理后实芯单模光纤的模场直径与所述空芯光纤达到模场匹配；

（3）将所述空芯光纤与反向拉锥和热致扩芯处理后的实芯单模光纤进行低损耗熔接。

其中，步骤（2）包括：

基于预设的反向拉锥参数，使用光纤拉锥机对所述实芯单模光纤进行加热并从两边向里推进，在反向拉锥时估测所述第一待熔接光纤的包层直径，直到所述实芯单模光纤反向拉锥结构的包层直径接近或大于所述空芯光纤；

基于预设的加热参数，使用光纤拉锥机对实芯单模光纤反向拉锥结构进行热致扩芯处理，并在加热过程中估测所述实芯单模光纤反向拉锥结构的模场直径，直到所述实芯单模光纤反向拉锥结构的模场直径达到所述空芯光纤的模场直径匹配。

其中，步骤（3）之前还包括：

所述实芯单模光纤反向拉锥结构端面镀有耐高温抗反膜。

相比先前技术，本发明提出的光纤模场适配器组件及其制备方法，可以对实芯单模光纤局部进行反向拉锥及热致扩芯处理，形成含过渡区的反向拉锥结构，增大实芯单模光纤模场大小和包层结构大小，优化光纤模场轮廓，并镀耐高温抗反膜进而降低端面反射率，不需要使用任何过渡光纤结构，能够简单高效地实现不同类型的光纤之间的模场匹配，尤其是解决实芯光纤与空芯反谐振光纤的连接匹配问题。

附图说明

图1为本发明的一种光纤模场适配器组件的结构示意图。

图2是本发明实施例中实芯单模光纤(a)与空芯反谐振光纤(b)端面结构图。

图3为本发明实施例的制备方法中实芯单模光纤反向拉锥前(a)和反向拉锥后(b)侧面图。

图4为本发明实施例制备的光纤模场适配器组件的结构示意图。

图中标号：1为实芯单模光纤；11为实芯单模光纤未处理端；12为反向拉锥结构过渡区；13为实芯单模光纤反向拉锥结构端；2为空芯反谐振光纤；3为耐高温抗反膜。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

选取的实芯单模光纤1如图2(a)所示，纤芯直径为8.2μm，模场直径为10.4μm。选取的空芯反谐振光纤3如图2(b)所示，其参数为，纤芯直径为35μm，计算得到模场直径为25.2μm。由于单模光纤包层直径远小于空芯反谐振光纤，导致熔接强度低，并且两种光纤的模场直径相差很大，造成极大的耦合损耗。考虑到模场失配引起的损耗，两种光纤的耦合损耗估算为大于3dB。

为了解决因模场失配及结构尺寸失配造成的空芯反谐振光纤熔接损耗过大和熔接强度低的问题，本发明实施例提供了一种光纤模场适配器组件及其制备方法，具体步骤如下：

对实芯单模光纤进行反向拉锥处理，使用光纤拉锥机对单模光纤进行加热并从两边向里推进，使得实芯单模光纤1的纤芯与包层直径等比例扩大，形成过渡区12和反向拉锥腰区13，当反向拉锥腰区直径达到与空芯光纤包层直径接近匹配时，得到模场直径仍然远小于所述待熔接空芯反谐振光纤的模场直径。

在上述实施例的基础上，使用光纤拉锥机对单模光纤反向拉锥腰区13进行热致扩芯处理，并在加热过程中估测单模光纤反向拉锥区域的模场直径，直到所述反向拉锥结构的模场直径达到与空芯反谐振光纤模场直径匹配。如图3(a)所示为未处理实芯单模光纤的侧面示意图，图3(b)为反向拉锥及热致扩芯处理的实芯单模光纤侧面结构图。

将所述图3(b)反向拉锥和热致扩芯处理的单模光纤从拉锥腰区位置切断得到含有过渡区12和反向拉锥结构13的实芯单模光纤1，需要说明的是，所述过渡区12及反向拉锥结构端13为实芯单模光纤1的一部分，不需要额外的连接步骤进行耦合，方便实现低损耗熔接。

需要强调的是，该方法不需要采用任何过渡光纤作为模式匹配器，不需要额外的多步熔接，既降低了器件的耦合损耗，又可避免传统采用多模光纤或者GRIN光纤作为过渡光纤存在的可能激发高阶模的问题，保持器件结构简洁，降低成本。

可选地，对实芯单模光纤反向拉锥结构端13端面上进行溅射镀耐高温抗反膜3，降低光纤端面反射率。

将实芯单模光纤反向拉锥结构端13与空芯反谐振光纤2进行中心对准后采用基于石墨加热丝的光纤熔接机进行熔接。

如图4所示为制备得到的光纤模场适配器的侧面结构示意图，其中中间为实芯单模光纤反向拉锥结构端13与空芯反谐振光纤熔接点，左侧自由端输入为单模光纤，右侧自由端输出为空芯反谐振光纤，插入损耗小于0.5dB，熔接强度较高，可以满足实用性能要求。

最后，以上所述仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤模场适配器组件，其特征在于，包括：

一种具有第一模场直径的实芯单模光纤，

一种具有第二模场直径的空芯反谐振光纤，

所述实芯单模光纤一端未处理，另一端具有锥形过渡的反向拉锥结构，该反向拉锥结构为所述实芯单模光纤的一部分，在反向拉锥结构端面镀有耐高温抗反膜，并且，该反向拉锥结构端面具有比所述实芯单模光纤未处理端更大的包层直径和模场直径，可以与所述空芯反谐振光纤达到包层匹配和模场匹配耦合；

所述反向拉锥结构端，为使用光纤拉锥机对所述实芯单模光纤进行反向拉锥处理，形成具有更大包层直径和模场直径的锥形过渡的反向拉锥结构，并对所述反向拉锥结构进行热致扩芯优化模场分布，从反向拉锥腰区居中切割后得到。

2.根据权利要求1所述的光纤模场适配器组件，其特征在于，所述第一模场直径小于所述第二模场直径。

3.根据权利要求1或2所述的光纤模场适配器组件，其特征在于，所述实芯单模光纤的反向拉锥结构一端可实现相比未处理实芯单模光纤一端包层直径和模场直径的绝热增大。

4.根据权利要求3所述的光纤模场适配器组件，其特征在于，镀有耐高温抗反膜的反向拉锥结构一端与所述空芯反谐振光纤之间通过熔接进行连接。

5.根据权利要求4所述的光纤模场适配器组件，其特征在于，所述空芯反谐振光纤为空芯反谐振光纤，纤芯为空气介质，纤芯具有负曲率轮廓。

6.一种如权利要求1-5之一所述光纤模场适配器组件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）获取两种待熔接光纤，包括具有第一模场直径的实芯单模光纤和具有第二模场直径的空芯反谐振光纤；

（2）对所述实芯单模光纤进行反向拉锥处理和热致扩芯处理，使得所述实芯单模光纤的包层直径等于或大于所述空芯反谐振光纤，处理后实芯单模光纤的模场直径与所述空芯反谐振光纤达到模场匹配；

（3）将所述空芯反谐振光纤与反向拉锥和热致扩芯处理后的实芯单模光纤进行低损耗熔接。

7.根据权利要求6所述的光纤模场适配器组件的制备方法，其特征在于，步骤（2）包括：

基于预设的反向拉锥参数，使用光纤拉锥机对所述实芯单模光纤进行加热并从两边向里推进，在反向拉锥时估测第一待熔接光纤的包层直径，直到所述实芯单模光纤反向拉锥结构的包层直径接近或大于所述空芯反谐振光纤；

基于预设的加热参数，使用光纤拉锥机对实芯单模光纤反向拉锥结构进行热致扩芯处理，并在加热过程中估测所述实芯单模光纤反向拉锥结构的模场直径，直到所述实芯单模光纤反向拉锥结构的模场直径达到所述空芯反谐振光纤的模场直径匹配。

8.根据权利要求7所述的光纤模场适配器组件的制备方法，其特征在于，步骤（3）之前还包括：所述实芯单模光纤反向拉锥结构端面镀耐高温抗反膜。

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